CN108490773A - 一种基于视觉传感的仿生分段复合末制导方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于视觉传感的仿生分段复合末制导方法，属于制导技术领域。本发明仿照蜻蜓追踪果蝇时的迎击转尾追的分段追踪策略，在制导初段运用控制目标视差角的滑模制导律来快速调整飞行器飞行方向，使飞行器快速进入尾追状态，制导末段则运用焦点位于无限远的运动伪装制导律导引飞行器追踪目标，初末段之间的过渡段则运用了二阶平滑交接律。本发明的末制导方法能使依靠视觉传感器探测目标的微小型飞行器在迎击拦截快速运动目标时，相比传统制导方法需用过载更小，目标更趋近于视觉探测器视场中心，保证目标在制导过程中难以逃逸出视觉探测器视场。

Description

一种基于视觉传感的仿生分段复合末制导方法

技术领域

本发明涉及一种基于视觉传感的仿生分段复合末制导方法，属于制导技术领域。

背景技术

美国生物学家在(Mischiati M,Lin H T,Herold P,et al.Internal modelsdirect dragonfly interception steering[J].Nature,2015,517(7534):333-338.)一文中用高速摄像机研究了蜻蜓捕食果蝇的追踪原理，并且指出蜻蜓在捕捉果蝇的过程中，不管初始状态如何，在追踪初段，蜻蜓都会调整自身飞行姿态，使自身快速进入尾追果蝇的状态，而在追踪末段，蜻蜓会运用一种名为“运动伪装”的追踪策略去追踪果蝇。“运动伪装”追踪策略是澳大利亚生物学家在(Srinivasan M V,Davey M.Strategies for activecamouflage of motion[J].Proceedings of the Royal Society of London B:Biological Sciences,1995,259(1354):19-25.)一文中所提出的飞行昆虫的一种隐蔽追踪策略,即飞行昆虫在追踪目标时为了隐蔽自身，会使自身一直飞行于焦点和目标的连线上，其中焦点可以选为有限远，也可以选为无限远。蜻蜓的以上追踪策略可以使蜻蜓在追踪目标的过程中，所需机动小，隐蔽性好，并且目标不易逃逸出自身视场。

微小型飞行器由于体积、重量和成本方面的限制，多采用与机体固连式的视觉传感器来作为其目标探测器，并且出于探测距离方面的考虑，视觉传感器的视场也会有所限制。另外，微小型飞行器飞行速度慢，很有可能与目标的移动速度接近，即出现速度比接近1的情况。在此情况下如果迎击追踪目标时直接采用传统导引律，由于相对速度较大会引起末段视线角速率过早发散，需用过载大，目标容易逃出探测器视场等问题。

之前申报的专利(CN201210405297.0)，发明名称为“一种基于昆虫视觉仿生的末制导方法”，公布了一种基于神经网络实现方式的仿生末制导方法，该方法仅针对了“运动伪装”焦点位于有限远的情况，并且没有涉及到视觉传感器的视场大小限制下的制导方法。

发明内容

本发明针对传统制导律在微小型飞行器迎击拦截与之速度相近的运动目标时，目标可能逃逸出探测器视场的问题，提供一种基于视觉传感的仿生分段复合末制导方法。该方法在末制导初段运用控制目标视差角的滑模制导律来快速调整飞行器飞行方向，使飞行器快速进入尾追状态，制导末段则运用焦点位于无限远的运动伪装制导律追踪目标，初末段之间的过渡段则选用了一种二阶平滑交接律。

本发明是通过下述技术方案实现的。

一种基于视觉传感的仿生分段复合末制导方法，包括以下步骤：

第一步：建立飞行器与目标的相对运动方程。

飞行器与目标的相对运动方程表示为：

其中，r为飞行器与目标之间的距离；v_m和v_t分别为飞行器和目标的速度；θ_m和θ_t分别为飞行器和目标的速度方向角；q为弹目视线角。

目标前置角η_t和视差角η_m表示为：

若目标前置角的绝对值|η_t|大于等于90°，则飞行器当前处于迎击目标状态，|η_t|小于90°，则飞行器当前处于尾追目标状态。

第二步：初段制导律设计。

制导律初段的功能是使飞行器由迎击转为尾追的运动状态，并且在此过程中要尽可能让目标保持在视觉传感器的视场中，因此运用滑模原理设计利李雅普洛夫函数为：

对式(3)进行求导得：

在式(4)中令：

其中k＞0，k为制导系数，又有η_m＝q-θ_m，其中a_m为飞行器法向加速度，式(5)经过变换得到：

此时

则得到初段制导律为：

其中g为重力加速度。

第三步：基于“运动伪装”的末段制导律设计。

设计末段制导律时，采用焦点位于无限远时的“运动伪装”仿生制导律。M为微小型飞行器，并且初始位于M₀；T为目标，并且初始位于T₀；q₀为初始弹目视线角；M₀T₀为伪装线，于是飞行器偏离伪装线的程度用直线MT和伪装线的夹角表示为：

e_r＝q-q₀ (9)

其中，e_r为误差角。

设计焦点位于无限远的运动伪装追踪律就相当于设计闭环的控制律，通过控制飞行器速度方向，使得误差角e_r趋于0。选用PID控制律，即：

其中Kp，Ki，Kd分别为PID的比例参数、积分参数和微分参数；t为制导时间，则基于“运动伪装”的末段仿生制导律n_y2为：

第四步：过渡段制导律设计。

初末段制导之间的过渡制导段主要考虑两个方面的问题，一个是交接班时机的选取，而另一个是交接律的设计。

1)交接班时机的选取。

交接班时机的选取需要考虑视觉传感器目标探测视场的约束。初段制导时由于采用控制目标视差角的滑模制导律，目标视差角η_m很小，而末段制导时，采用了焦点位于无限远的运动伪装仿生制导律，此时视线角速率会收敛至0，于是由式(1)得到末段制导时视差角η_m为：

即目标视差角与目标的前置角有关，目标前置角越小，制导末段的目标视差角越小。若飞行器视觉传感器视场范围为则需要使飞行器在目标前置角绝对值小于

时进行初末段制导之间的交接，以保证目标始终处于飞行器视觉传感器的视场内。其中η_tmax为允许目标最大前置角。

2)交接律设计。

交接律的设计主要是为了实现飞行器弹道的平滑过渡，从而避免两种不同制导律在切换时出现的过载剧烈跳变的问题。采用二阶平滑交接律，设计过渡段制导律为初段制导律n_y1(t)和末段制导律n_y2(t)的加权和：

其中，飞行器进入过渡段时间t₀为过渡段开始时刻，为过渡段的过载，即交接律；为平滑算子，平滑算子设计为：

其中，t_gd为过渡段总耗时。

通过步骤二的初段制导律n_y1、步骤三的末段制导律n_y2和步骤四的交接律n_ygd就能够实现本发明的仿生分段复合末制导方法。

有益效果

本发明设计的末制导方法能使依靠视觉传感器的微小型飞行器在迎击拦截快速运动目标时，相比传统制导方法需用过载更小，目标更趋近于视觉探测器视场中心，保证目标在制导过程中难以逃逸出视觉探测器视场。

附图说明

图1是仿生分段复合末制导方法示意图；

图2是飞行器与目标相对运动示意图；

图3是焦点位于无限远时的“运动伪装”相对运动示意图；

图4是仿真弹道曲线；

图5是仿真过载曲线；

图6是仿真目标视差角曲线。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的优点和目的，下面将结合附图和实例对本发明加以详细说明。

本发明如图1所示，在末制导初段运用控制目标视差角的滑模制导律来快速调整飞行器飞行方向，使飞行器快速进入尾追状态，制导末段则运用焦点位于无限远的运动伪装制导律追踪目标，初末段之间的过渡段则采用一种二阶平滑交接律。

选用某型号微小型飞行器，在铅垂平面内打击地面运动目标为例进行介绍。飞行器初始坐标为(0,150)m，初始速度为12m/s，初始速度方向角为-112°，目标初始坐标为(-60,0)m，并且以10m/s的速度沿x轴正向运动，初始的目标前置角为-112°，此时飞行器处于迎击目标的状态。飞行器视觉传感器的垂直视场范围为[-25°，25°]。在此初始条件下，具体实施步骤为：

第一步：建立飞行器与目标的相对运动方程。

如图2所示，M为微小型飞行器；T为目标；r为飞行器与目标之间的距离；v_m和v_t分别为飞行器和目标的速度；θ_m和θ_t分别为飞行器和目标的速度方向角；q为弹目视线角；η_t为目标前置角；η_m为视差角。

飞行器与目标的相对运动方程表示为：

目标前置角η_t和视差角η_m表示为：

第二步：初段制导律设计。

制导律初段的功能是使飞行器由迎击转为尾追的运动状态，并且在此过程中要尽可能让目标保持在视觉传感器的视场中，因此运用滑模原理设计利李雅普洛夫函数为：

对式(18)进行求导得：

在式(19)中令：

其中制导系数k选为5，又有η_m＝q-θ_m，其中a_m为飞行器法向加速度，式(20)经过变换得到：

此时

于是得到初段制导律为：

其中g为重力加速度，弹目视线角速率和视差角η_m由视觉传感器测量所得。

第三步：基于“运动伪装”的末段制导律设计。

设计末段制导律时，采用焦点位于无限远时的“运动伪装”仿生制导律。如图3所示，M为微小型飞行器，并且初始位于M₀；T为目标，并且初始位于T₀；q₀为初始弹目视线角；M₀T₀为伪装线，于是飞行器偏离伪装线的程度用直线MT和伪装线的夹角表示为：

e_r＝q-q₀ (24)

其中，e_r为误差角。

设计焦点位于无限远的运动伪装追踪律就相当于设计闭环的控制律，通过控制飞行器速度方向，使得误差角e_r趋于0。选用PID控制律，即：

其中Kp，Ki，Kd分别为PID控制律的比例参数、积分参数和微分参数，分别选为5,0.01,10；t为制导时间，则基于“运动伪装”的末段仿生制导律n_y2为：

第四步：过渡段制导律设计。

初末段制导之间的过渡制导段主要考虑两个方面的问题，一个是交接班时机的选取，而另一个是交接律的设计。

1)交接班时机的选取。

交接班时机的选取需要考虑视觉传感器的目标探测视场的约束。由于飞行器视觉传感器垂直视场范围为[-25°，25°]，则需要使飞行器在目标前置角绝对值小于

时进行初末段制导之间的交接，以保证目标始终处于飞行器视觉传感器的视场内。其中η_tmax为允许目标最大前置角，计算得到其值为30°，因此选取初末段制导交接点在目标的前置角绝对值为20°时。

2)交接律设计。

交接律的设计主要是为了实现飞行器弹道的平滑过渡，从而避免两种不同制导律在切换时出现的过载剧烈跳变的问题；采用二阶平滑交接律，设计过渡段制导律为初段制导律n_y1(t)和末段制导律n_y2(t)的加权和：

其中，飞行器进入过渡段时间t₀为过渡段开始时刻，为过渡段的过载，即交接律；为平滑算子，平滑算子设计为：

其中，t_gd为过渡段总耗时，选为3s。

第五步：根据第二至第四步所设计的制导律导引飞行器追踪目标。

飞行器进入末制导后首先运用式(23)进行初段制导，并在此过程中不断测量目标的前置角η_t，当目标的前置角的绝对值|η_t|小于20°时，末制导进入过渡段。过渡段运用式(28)进行过渡段制导，过渡段制导结束后，末制导运用式(26)进行末段制导，直到击中目标结束末制导。

图4、图5和图6为运用以上步骤所进行的matlab仿真实例，并且选用了传统的比例导引作为对比仿真，以说明本发明的有益效果。从仿真结果可以看出，在飞行器与目标速度接近，且初始飞行器初始处于迎击目标状态时，相比于传统的比例导引，本发明的末制导方法需用过载更小，且制导过程中的目标视差角也要远远小于比例导引。比例导引的所需的最大视差角已经超出了所规定的视觉传感器视场范围，这会导致制导过程中目标的丢失，而本发明的制导方法则不会出现这一问题。

以上所述为本发明的较佳实施例，不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种基于视觉传感的仿生分段复合末制导方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步：建立飞行器与目标的相对运动方程；

飞行器与目标的相对运动方程表示为：

其中，r为飞行器与目标之间的距离；v_m和v_t分别为飞行器和目标的速度；θ_m和θ_t分别为飞行器和目标的速度方向角；q为弹目视线角；

目标前置角η_t和视差角η_m表示为：

若目标前置角的绝对值|η_t|大于等于90°，则飞行器当前处于迎击目标状态，|η_t|小于90°，则飞行器当前处于尾追目标状态；

第二步：初段制导律设计；

制导律初段的功能是使飞行器由迎击转为尾追的运动状态，并且在此过程中要尽可能让目标保持在视觉传感器的视场中，因此运用滑模原理设计利李雅普洛夫函数为：

对式(3)进行求导得：

在式(4)中令：

其中k＞0，k为制导系数，又有η_m＝q-θ_m，其中a_m为飞行器法向加速度，式(5)经过变换得到：

此时

则得到初段制导律为：

其中g为重力加速度；

第三步：基于“运动伪装”的末段制导律设计；

设计末段制导律时，采用焦点位于无限远时的“运动伪装”仿生制导律；M为微小型飞行器，并且初始位于M₀；T为目标，并且初始位于T₀；q₀为初始弹目视线角；M₀T₀为伪装线，于是飞行器偏离伪装线的程度用直线MT和伪装线的夹角表示为：

e_r＝q-q₀ (9)

其中，e_r为误差角；

设计焦点位于无限远的运动伪装追踪律就相当于设计闭环的控制律，通过控制飞行器速度方向，使得误差角e_r趋于0；选用PID控制律，即：

其中Kp，Ki，Kd分别为PID的比例参数、积分参数和微分参数；t为制导时间，则基于“运动伪装”的末段仿生制导律n_y2为：

第四步：过渡段制导律设计；

初末段制导之间的过渡制导段主要考虑两个方面的问题，一个是交接班时机的选取，而另一个是交接律的设计；

1)交接班时机的选取；

交接班时机的选取需要考虑视觉传感器目标探测视场的约束；初段制导时由于采用控制目标视差角的滑模制导律，目标视差角η_m很小，而末段制导时，采用了焦点位于无限远的运动伪装仿生制导律，此时视线角速率会收敛至0，于是由式(1)得到末段制导时视差角η_m为：

即目标视差角与目标的前置角有关，目标前置角越小，制导末段的目标视差角越小；若飞行器视觉传感器视场范围为则需要使飞行器在目标前置角绝对值小于

时进行初末段制导之间的交接，以保证目标始终处于飞行器视觉传感器的视场内；其中η_tmax为允许目标最大前置角；

2)交接律设计；

交接律的设计主要是为了实现飞行器弹道的平滑过渡，从而避免两种不同制导律在切换时出现的过载剧烈跳变的问题；采用二阶平滑交接律，设计过渡段制导律为初段制导律n_y1(t)和末段制导律n_y2(t)的加权和：

其中，飞行器进入过渡段时间t₀为过渡段开始时刻，为过渡段的过载，即交接律；为平滑算子，平滑算子设计为：

其中，t_gd为过渡段总耗时；

通过步骤二的初段制导律n_y1、步骤三的末段制导律n_y2和步骤四的交接律n_ygd就能够实现本发明的仿生分段复合末制导方法。